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移動虛擬工程圖學模型庫的開發與應用——理論方法篇

來源:教育教學論壇?????2019-9-19 16:42:23??????點擊:
移動虛擬工程圖學模型庫的開發與應用——理論方法篇*
陳 功 孫海波 李艾民 趙啦啦  
(中國礦業大學,江蘇 徐州 221116)
 
摘  要: 基于OBE的人才培養理念,在工程圖學課程中充分融入三維數字化、移動互聯、虛擬交互等綜合信息處理技術,運用Creo Parametric、圖紙通等軟件技術平臺,系統完成了模型庫規劃、模型構建、模型管理、成員組織、學生管理、學習交流等設計研發工作,實現了移動虛擬工程圖學模型庫的開發。初步應用實踐表明,模型庫可有效激發學生的學習興趣、幫助學生合理利用學習時間和空間、提高學生的學習效率、提升學生的三維空間想象能力和綜合創新能力。本篇論文闡述了該項研究中的理論方法部分。
 
關鍵詞 移動互聯 虛擬交互 工程圖學 模型庫   教育教學論壇
中圖分類號:TP391    文獻標志碼:A     文章編號:
 

工程圖學是工科類各專業的一門重要的技術基礎課,主要目的是培養學生的空間思維能力、工程圖樣的閱讀與表達能力、創新設計能力。我校工程圖學課程自1951年開設以來已有60多年的歷史,是一門面向研究型大學建設的工科各專業重要的公共基礎課程,經過了幾代人艱苦執著的努力,特別是近十幾年的辛勤耕耘,形成了自己的傳統和特色,課程先后被評為國家級精品課程、國家級精品資源共享課程、江蘇省高等學校在線開放課程。

一、信息技術與圖學改革

傳統工程圖學教學中,為了反映由二維圖形到三維形體、再由三維形體回到二維圖形這個思維轉換過程,老師們往往通過黑板上繪制的軸測圖、模型掛圖和實物模型等進行輔助,這些教學方法與教學手段很難生動、便捷、清楚、高效地完成模型的展示,且模型、掛圖數量有限,容易損壞,管理效率低下,難以滿足教師課堂教學和學生課后學習的需要。
計算機技術的迅速發展有效促進了工程圖學教學方法和手段的改革,不少老師都開發出了計算機三維模型和三維動畫[1],使工程圖學課程的教學更加形象直觀,易于學生理解、記憶。但這些三維模型往往依賴于一些PC端大型三維軟件才能交互查看,其使用時空受到了很大局限;三維動畫一般也只能按照預先設定的一些模型方位進行查看,失去了對模型查看及處理的互動性,使學生的思維發展受到一定限制。
隨著移動互聯、虛擬現實等技術的發展,邱龍輝、時曉明等[2,3]基于OpenGL ES、lib GDX開發了基于Android平臺的工程圖學助教助學系統,使得學生可以使用手機等移動終端自由查看模型,突破了模型庫的使用時空限制。但這類虛擬模型庫系統往往存在以下問題:(1)不同移動終端的適應性不好,如基于Android系統開發的模型庫應用很難移植到IOS系統上的I Phone手機、I Pad平板電腦等移動終端;(2)系統開發工作量大,模型查看、處理功能單一;(3)模型處理效果不好,使用中必須將CAD系統構建的三維數字模型轉換為VRML、OBJ、STL等中間格式,導致模型數據量增加、顯示效果下降。正是基于上述原因,這些模型庫系統在實際的推廣應用中還存在較大困難。
互聯網/移動互聯網與制造業的融合已經勢不可擋,隨著國家對工業4.0、智能制造、中國制造2025等一批規劃戰略的提出與實施,移動互聯、虛擬現實、虛擬仿真等與現代工程圖學密切相關的技術得到了迅猛發展。將這些最新的技術平臺和開發成果及時、有效地運用到工程圖學課程教學改革中,是切實可行且十分必要的。
“圖紙通”是由新迪數字工程系統有限公司于2018年9月正式推出的一款云端看圖、分享圖紙、批注圖紙、溝通圖紙的技術交流軟件,可有效應用到產品研發設計、生產制造、售后服務環節的技術交流工作中,軟件全面支持IOS、Android系統下的多種手機、平板電腦等移動終端,可以無需轉換而直接打開30多種3D模型和2D圖紙,圖紙通領先在全球開啟了互聯網+制造業的新紀元。“圖紙通”免費開放的功能,可以滿足移動工程圖學虛擬模型庫的開發與使用要求。“圖紙通”所具有的不同移動平臺的適應性、交互方式的一致性、模型查看處理的多功能性,可以有效克服本文前述的工程圖學虛擬模型庫開發應用中所出現的若干問題。

二、系統規劃與模型管理

1 模型庫開發與應用的總體思路

基于成果導向教育(Outcome Based Education, OBE)理念在1981年由Spady率先提出后,以驚人的速度獲得了廣泛重視和應用[4,5],美國工程教育認證協會全面接受了OBE的理念,并將其貫穿于工程教育認證標準的始終,2013年6月我國被接納為“華盛頓協議”簽約成員。用OBE 成果導向教育理念引導大學工程類專業教學改革,具有現實意義。2018年5月,我校機械工程專業接受并順利通過了OBE工程認證,筆者作為本次工程認證工作組的主要成員,在專業認證工作過程中積累了一定的OBE認知和實施經驗。工程圖學移動虛擬模型庫的開發與應用是基于OBE的工程圖學教育改革中的一個重要環節。
本文移動虛擬工程圖學模型庫開發與應用的總體思路是:充分解讀專業人才的培養需求,以專業人才培養目標為導向,以學生空間思維能力、圖樣閱讀與表達能力、創新設計能力培養為出發點,以工程圖學課程教學質量標準為依據,以提高教師課堂教學質量和學生課后學習效率為抓手,“四位一體”科學合理地規劃模型庫的開發,實現模型庫的有效利用,并不斷接受學生、教師、社會的對學生能力素質培養的反饋信息,持續改進移動虛擬模型庫的開發。
為了滿足專業人才培養目標和課程能力點培養,我們認真查閱并參考了機械工程類、安全工程類、礦物加工類、電氣工程類、材料工程類、土木工程類等大類專業培養目標和培養方案,將各專業典型裝備的零部件及中等難度的裝配體加入虛擬模型庫,如機械工程類專業加入齒輪泵、安全閥模型,安全工程類專業加入井下風機、風門模型,礦物加工類專業加入球磨機模型等,與各專業工程實踐密切聯系,綜合培養學生工程圖樣閱讀繪制及空間思維能力,提高工程素質、增強創新意識。

2 模型庫中的模型管理

為了滿足教師課堂教學和學生課后學習的需要,從工程圖學課程體系入手,充分查閱、理解并遵循工程圖學課程教學質量標準,模型庫內容以李愛軍、陳國平等[6,7]編寫的普通高等教育“十一五”國家級規劃教材為主要參考,包括點線面及簡單形體、平面立體及截切體、回轉體及截切體、相貫體、組合體、常用機件、典型零件、典型裝配體等。
為了提高模型庫中模型的查閱效率,我們同時對模型庫內眾多模型按照教學形式進行了分類與編碼,主要分為教材類模型(按照章節進行編碼,如JC-01-01-**.PRT)、多媒體課件類模型(按照章節進行編碼,如KJ-03-02-**.PRT)、習題類模型(按照頁碼和題號進行編碼,如XT-P30-3-2-3.PRT)及綜合實訓類模型(按照綜合實訓內容進行編碼,ZH-03-**.ASM、ZH-03-**.PRT)。

3 模型庫的系統架構

根據模型庫的總體開發思路,結合模型庫功能、性能、安全、管理等方面的需求分析,本文系統地、科學地規劃了移動虛擬工程圖學模型庫的系統架構,從數據層、軟件層、設備層、功能層、用戶層五個層面對系統的架構和邏輯關系進行布置,如圖1所示。



圖1 移動虛擬工程圖學模型庫系統架構

、總結

本論文闡述了“移動虛擬工程圖學模型庫的開發與應用”教學改革成果的第一部分,主要探討了人才培養理念、三維數字化、移動互聯、虛擬交互等綜合信息處理技術在工程圖學課程中的應用,構建了移動虛擬工程圖學模型庫系統架構,為下一步實踐應用奠定了良好的基礎。進一步的內容可參閱本刊后續論文,移動虛擬工程圖學模型庫的開發與應用——實踐應用篇。

參考文獻:

[1] 孫海波,江曉紅,姚新港等.三維 CAD 技術在工程制圖截交線和相貫線教學中的應用[J].教育與信息化,2018(6):133-135.
[2] 邱龍輝.基于Android平臺的工程圖學助教助學系統的研究與實現[J].圖學學報,2016,37(6):831-835.
[3] 邱龍輝,葉琳. 工程圖學網絡虛擬實驗的研究與開發[J].實驗技術與管理,2005(5):83-85,89
[4] 邱龍輝,葉琳. 工程圖學虛擬測繪模型系統的設計[J].工程圖學學報,2007(6):147-151
[3] 時曉明. 基于libGDX框架的3D模型庫在Android中的實現[D].青島:青島科技大學碩士學位論文,2017
[4] Spady W G. Choosing Outcomes of Significance [J].Educational Leadership, 1994, 51(6): 18-22.
[5] 李志義,朱泓,劉志軍等.用成果導向教育理念引導高等工程教育教學改革[J]. 高等工程教育研究, 2014(2): 29-34,70.
[6] 李愛軍,陳國平,宋彥等.工程制圖(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2010.7.
[7] 陳國平,李愛軍, 江曉紅等.工程制圖習題集(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2010.7.


Development and Application of Mobile Virtual Engineering Graphics Model Library
Chen Gong, Sun Hai-bo, Li Ai-min, Zhao La-la
(China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)
 
Abstract: Based on OBE talent training concept, the integrated information processing technologies such as 3D digitization, mobile interconnection and virtual interaction are fully integrated into Engineering Graphics courses. By using Creo Parametric software and Tu-zhi-tong APP technology platform, design research and development work such as model library planning, model construction, model management, member organization, student management and learning are systematically completed, and the mobile virtual Engineering Graphics model library has been realized. The preliminary application practice shows that the model library can effectively stimulate students' interest in learning, help students make rational use of learning time and space, improve students' learning efficiency, and enhance students' three-dimensional spatial imagination ability and comprehensive innovation ability. This paper describes the theoretical and methodological aspects of the study.
 
Key words:  mobile interconnection; virtual interaction; Engineering Graphics; model library
*國家級精品資源共享課程建設項目、江蘇省品牌專業建設項目PPZY2015B120、中國礦業大學教改項目2017YB07。
陳功,男,博士,副教授,中國礦業大學工程圖學中心主任,從事產品數字化設計、虛擬設計、工程圖學等方面的教學與研究工作。
收稿日期:2019-4-25


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